Navios e barcos

Densidade média

Se ainda acha a ideia de levantar um pouco confusa, volte a pensar na densidade. Imagine se o porta-aviões fosse uma caixa de metal gigante do mesmo volume (como uma grande caixa de sapatos), parcialmente cheia de motores, aviões, marinheiros, e tudo o resto – então pesa tanto quanto. Essa caixa flutuaria se pesasse menos do que uma caixa do mesmo tamanho cheia de água; caso contrário, afundaria. Então, em resumo, um porta-aviões flutua porque pesa menos que o mesmo volume de água – porque a sua densidade média é menor que a da água que a rodeia.

Foto: A forma mais simples de entender porque as coisas flutuam é esquecer Arquimedes e pensar na densidade. Uma nave flutua porque sua densidade média é relativamente pequena. Esta nave de transporte militar vazia é efetivamente uma gigantesca caixa de metal vazia. Divida sua massa total (sua própria massa mais a do seu conteúdo) pelo seu volume e você obtém sua densidade média. Isso é menos que a densidade de uma caixa metálica sólida ou uma caixa metálica cheia de água, e é por isso que a nave flutua. Foto de Gary Keen cortesia da US Navy.

Por que não virar os barcos de cabeça para baixo?

Se alguma vez subiu para um barco a remos amarrado a um ajetty, terá uma sensação de como pequenos barcos podem ficar muito instáveis quando começar a carregá-los. Quando você fica de pé em um barco, você efetivamente se torna uma parte dele, então você altera o seu centro de gravidade, tornando-o instantaneamente muito mais alto. Desde que você entra num barco de lado, no minuto em que você pisa a bordo, você desloca o centro de gravidade em direção ao lugar onde você está de pé. Agora o centro de gravidade não está mais acima do centro do barco, e isso faz tudo girar na sua direção. Um barco pode balançar de um lado para o outro relativamente livremente; porque é positivamente flutuante, é necessária apenas uma pequena força para que se mova na água. Todas essas coisas combinadas fazem um pequeno barco relativamente fácil de virar (girar para o seu lado e amiúde afundar). Ao sentar-se num pequeno barco, você baixa o centro de gravidade e torna-o mais estável.

Photo: Os barcos pequenos podem ser bastante instáveis, mesmo com uma quilha. O vento forte pode fazer a tampa deste barco, e é por isso que a tripulação está toda sentada ao longo da borda para equilibrar a força de viragem com o seu próprio peso. Foto por Chad Runge cortesia da US Navy.

Bigger boats don’t suffer from this problem.First, they tend to have heavy metal engines very low down undereath the water level, which gives them a low center of gravity and makes them more stable. Em segundo lugar, eles têm quilha de abigger (uma tábua vertical correndo debaixo d’água, de trás para frente, ao longo da “espinha dorsal” central abaixo do barco. A quilha ajuda a parar o barco rolando (movendo-se de um lado para o outro) ou virando, porque significa que é necessária mais força para empurrar o barco para o lado através da água ou girá-lo. A quilha também desempenha um papel instigante e propulsor do barco, como veremos em breve.

Como se movem os barcos?

Gravidade é a força contra a qual temos de trabalhar quando caminhamos em terra. Mas se você é um grande nadador, você saberá que não é um problema quando você se move na água, porque seu corpo é relativamente flutuante: mesmo que seu corpo seja na maioria das vezes água, não é toda água (pesa menos que um saco de água exatamente do mesmo tamanho). A resistência à água (arrasto) é de longe a maior força contra a qual os nadadores têm de trabalhar – e isso também é verdade para os barcos. Quanto mais peso um barco carrega, mais baixo ele fica na água e mais resistência à água ele cria. É por isso que os barcos têm arcos afiados (para empurrar a água para fora do caminho) e bordas frontais curvas que planam (levante-os para fora da água à medida que se movem). Hidrofólios empurram esta ideia até ao limite, usando as asas da água para levantar os cascos e limpar a água à medida que se deslocam.

Photo: Um hidrofólio é um tipo de embarcação que usa as asas submarinas para gerar elevação à medida que avança, elevando o casco acima das ondas para reduzir a resistência à água. Foto de Mark S. Kettenhofen cortesia da Marinha dos EUA.

Como a maioria dos outros objetos, os barcos se propulsam por meio do compartilhamento das três leis de movimento de Newton: 1) Eles não vão a lugar algum sem que uma força de algum tipo os empurre ou puxe-os; 2) Quando há uma força adequada, ele os faz acelerar (mover-se mais rápido ou em uma nova direção) e uma força maior os acelerará mais; 3) Se um barco quer avançar, ele tem que aplicar uma força para trás – assim como você tem que chutar para trás com um skate para atirar para fora da calçada (ou empurrar para trás com suas pernas para andar para frente).

A maioria dos barcos usa um dos três tipos diferentes de potência: remos ou postes, velas e motores.

Remos e postes

Foto: A potência humana continua a ser uma forma confiável de alimentar um barco, mas a menos que você tenha um número igual de remos em ambos os lados (ou continue a trocar de lado), você irá mover-se para um lado mais do que para o outro. Foto de Clay Weis cortesia da Marinha dos EUA.

A forma mais antiga de propulsão de um barco é a simples força humana. Você pode remar um barco puxando a água para trás com largas velas, ou você pode perfurar algo como uma jangada para frente empurrando para fora de um rio ou fundo do mar. A potência do remo atingiu o seu auge com as galés teatrais desenvolvidas nos tempos grego e romano. A Biremes (a partir do segundo milénio a.C.) tinha duas plataformas com dois barcos, enquanto as triremes (inventadas algumas centenas de anos a.C.) tinham três, as quadriremes tinham quatro, e as quinquiremes cinco (embora seja incerto se os barcos com tanta gente embalada, a tal altura, teriam sido estáveis ou eficientes). Em qualquer caso, eles logo cederam à força da vela.

Sails

Se você pendurar lençóis para secar em vento forte, você saberá exatamente como funcionam os veleiros! Na prática, isso significa que as velas têm de ser posicionadas num ângulo, mas o vento tentará então soprar o barco nesse ângulo em vez da direcção em que quer entrar. A força do vento empurra-o para um lado, portanto você precisa de outras forças também, em outras direções, tocá-lo e produzir uma força resultante (combinada) na direção que você realmente quer ir. Duas outras forças ajudam. Uma está acima da quilha. Se o vento soprar o barco parcialmente de lado, a quilha empurra contra a água e ajuda a impulsionar o barco na direcção da proa. Você também pode inclinar o leme na parte de trás do barco de modo que, quando a água bate nele, ele dispara em um ângulo, dirigindo o barco para um lado ou para o outro. (Lemes costumavam ser posicionados à direita do barco e chamados de lemes, razão pela qual o lado direito de um barco, virado para a frente, ainda é referido como estibordo até hoje; o lado esquerdo é chamado de bombordo.)

Photo: Os iates têm velas múltiplas para que possam apanhar o vento de qualquer direcção. Foto de Eric Brown cortesia da US Navy.

Se quiser velejar ao vento, precisa de usar velas atriangulares ou tardias penduradas na parte da frente do seu barco em ângulo com o vento que se aproxima. À medida que o vento bate na vela, ela sopra ao seu redor e acelera; a vela age de forma semelhante ao anirfoil (a superfície curva de uma asa de avião), jogando ar em volta e atrás dela e empurrando o barco para frente (assim como o ar para baixo de uma asa impulsiona um avião para cima).

Motores

Velhos marinheiros perderam-se sem vento, mas isso não é um problema que temos agora, graças aos motores, que podem ser usados para alimentar as hélices. Os primeiros barcos com motores a vapor de alta pressão, alimentados a carvão; os motores modernos são invariavelmente movidos a diesel. O único problema real com o uso de motores de combustão interna para alimentar os barcos é que eles precisam de um abastecimento constante de oxygento para queimar o combustível; isso significa que você não pode usá-los para alimentar submarinos sob a água. No entanto, há uma solução: você pode usar um motor diesel perto da superfície para acionar um gerador e baterias de carga, que depois são usadas para acionar um motor elétrico e a hélice do submarino. (A energia nuclear é outra opção e significa que o submarino pode estar debaixo de água durante semanas ou meses de cada vez.)

Nem todos os barcos com motor utilizam hélices.Jet Skis® e jetfoils (versões grandes de jetfoils) utilizam motores para alimentar impulsores (bombas de água) que criam um potente jacto de água de retorno. A força do jacto de água que volta a entrar na água alimenta o barco para a frente, tal como os gases de escape quentes de um motor a jacto.

De que materiais são feitos os barcos?

Apenas todos os materiais que possas imaginar já foram usados para fazer barcos numa altura ou noutra. Os primeiros barcos foram feitos de pele de animal, casca e madeira; mais tarde vieram os cavacos feitos a partir de um tronco de árvore cuidadosamente escolhido. Em tempos antigos, os construtores de barcos aperfeiçoaram a arte de construir barcos a partir de tábuas separadas, quer fixando as bordas de uma tábua às bordas daqueles que a rodeiam como tijolos numa parede (que é conhecida como construção de cascalho) ou, melhor ainda, sobrepondo as tábuas de baixo para cima (uma técnica conhecida como construção de clínquer), o que permite um barco mais forte, mais leve e mais rápido. A Revolução Industrial trouxe outra grande inovação: a era dos poderosos navios de ferro e aço. A maioria dos navios modernos ainda hoje são construídos com aço, embora seja relativamente pesado. É por isso que alguns barcos maiores são agora feitos de metais fortes e leves como o alumínio, enquanto os mais pequenos são frequentemente feitos de compósitos leves como a fibra de vidro ou plásticos super resistentes como o Kevlar®.

Artwork: Barcos construídos com clínquer (esquerda) têm tábuas sobrepostas, o que dá um casco muito mais forte; barcos construídos com cascalho (direita) têm as tábuas unidas ponta a ponta para formar uma superfície exterior lisa.

Um breve histórico de barcos e navios

Os links nesta linha do tempo geralmente o levarão a mais informações na Wikipedia e outros sites.

Pré-história e tempos antigos

• ~10,000BCE: Os primeiros barcos incluem jangadas, barcos de pele, esconderijos e cascas de barcos, caiaques e cavernas.
• ~5000BCE-3000BCE: Marinheiros mesopotâmicos inventam velas.

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• ~3000BCE: Os antigos egípcios fazem os primeiros barcos de tábuas de madeira.

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• ~2500BCE: Minoanos e Micenas tornam-se os primeiros grandes navegadores oceânicos, explorando o mar Mediterrâneo.
• ~1500BCE-27BCE: Os gregos constroem navios de guerra gigantes, incluindo biremes e triremes.

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• 27BCE-400CE: Os romanos constroem galeras, os ancestrais dos navios de guerra modernos, com inovações incluindo uma ponte elevada.

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• ~300BCE: Arquimedes (287-212BCE) descobre a ciência da flutuação.
• 200CE: As velas de lateen estão sendo amplamente usadas no Mediterrâneo (embora acredita-se que tenham sido inventadas muito antes no mundo árabe).

Idades Médias

• 300: Os vikings inventam o clinker building.
• 1200: O leme central começa a substituir o “steerboard”.
• 1400-1600: A maioria das grandes naves são construídas em madeira e movidas a vela, e incluem engrenagens, carraças, galeras e galeões.

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• 1620: Cornelis Drebble constrói o primeiro submarino a partir de madeira.
• século XV: Grandes viagens de Cristóvão Colombo (1451-1506),Vasco da Gama (1460-1524),Fernão de Magalhães (1480-1521),e outros pioneiros da exploração e circum-navegação oceânica.

A grande era da navegação

Foto: A Constituição do USS, apelidada de “Old Ironsides”, é uma fragata (navio de guerra) clássica de três mastros, datada de 1797. Há muito tempo aposentado do serviço militar, é agora um museu fascinante em Boston. Foto de Kathryn E. Macdonald, cortesia da Marinha dos EUA.

• 1777: O primeiro barco com casco de ferro é construído (na Inglaterra).
• 1783: Marquês d’Abbans (1751-1832) constrói o primeiro barco a vapor.

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• século 19: São estabelecidos serviços regulares de “envio de pacotes”, navegando de acordo com horários. Registros de navegação rápida.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) estabelece um recorde para viajar de Nova York para Albany com um barco a vapor chamado Clermont.
• 1819: Barco a vapor SS Savannah cruza o Atlântico em um recorde de 29 dias.
• 1836: Hélices modernas são inventadas(independentemente) por Francis Pettit Smith (1808-1874) e John Ericsson(1803-1889).
• 1837: Grande Oeste, um gigantesco barco a vapor chamado Brunel (1806-1859), construído por Isambard Kingdom, torna-se o primeiro barco de ferro a atravessar o Atlântico.
• 1850s: O construtor naval inglês John Jordan faz provavelmente o primeiro navio composto, adicionando um revestimento de madeira sobre uma estrutura de ferro.
• 1870-1898: John Holland desenha e constrói o primeiro submarino prático, com motor, mas luta para convencer o USNavy do seu potencial.
• 1877: O inventor inglês John Thornycroft patenteia uma forma inicial do hovercraft baseado num nenúfar flutuante.
• 1884: Sir Charles Parsons inventa um motor a vapor altamente eficiente chamado turbina a vapor. Em 1897, ele desenvolveu uma turbina a vapor chamada Turbinia.
• 1886: O pioneiro automóvel alemão Gottlieb Daimler usa um motor a gasolina para alimentar um barco.
• 1886: Gluckauf, um dos primeiros petroleiros oceânicos, é construído e lançado na Grã-Bretanha.
• 1880: O oficial naval sueco reformado Charles G. Lundborg inventa os barcos SWATH (smalllwaterplane area twin hull) que andam sobre as ondas em dois cascos submersos.

Navios modernos

• ~1900s: Pessoas ricas gostam da era romântica e luxuosa das viagens oceânicas a bordo de transatlânticos como a Mauritânia, Lusitânia e Aquitânia.

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• 1906 Enrico Forlanini inventa o hydrofoil. O pioneiro do telefone Alexander Graham Bell também desempenha um papel no seu desenvolvimento.
• 1912: Um liner de luxo “praticamente insubmersível” chamado Titanic assegura um lugar na história como a mais famosa catástrofe oceânica de todos os tempos, quando atinge um iceberg e afunda, matando mais de 1500 pessoas.
• 1930s: Os alemães desenvolvem o snorkel, um tubo de respiração que permite que motores diesel em submarinos operem debaixo de água, reduzindo o risco de detecção.
• 1943: Motores de turbina a gás marítimos são usados pela primeira vez.
• 1955: A Marinha dos EUA lança o primeiro submarino de propulsão nuclear, USS Nautilus.
• 1956: O X ideal, o primeiro navio porta-contentores, é lançado a partir de Newark, NJ.
• 1959: O hovercraft de Christopher Cockerell faz a sua viagem inaugural.
• 1960: Jacques Piccard e o Tenente Don Walsh da Marinha dos EUA mergulham a cerca de 11 km na parte mais profunda dos theoceanos, a Fossa das Marianas, em Trieste, um navio de mergulho super-reforçado (bathyscaphe).
• 1962: O navio FLIP da Scripps Institution é usado pela primeira vez para estudar o movimento das ondas do oceano.
• 1964: Um submersível científico de mergulho profundo chamadoAlvin é desenvolvido pela Woods Hole Oceanographic Institution em Massachusetts e começa a explorar o oceano a profundidades de quase 5km(3 milhas).
• 1978: Navio de exploração científica JOIDESResolução é lançada, permitindo aos cientistas explorar o fundo do mar mais detalhadamente do que nunca.
• 1992: A Marinha dos Estados Unidos abate o último dos seus navios de guerra gigantes, USS Missouri.
• 1993: A Marinha dos EUA lança um barco experimental, invisível por radar, chamado Sea Shadow, com base num desenho SWATH. Em 2011, a Marinha anuncia a sua intenção de desmantelar o navio.
• 2012: O MS Tûranor PlanetSolar, construído na Alemanha, torna-se o primeiro veículo movido a células solares bifotovoltaicas a circum-navegar o mundo.
• 2014: O Norled MF Ampere, o primeiro carro e ferry do mundo totalmente eléctrico, movido a bateria, começa a operar na Noruega e a poupar um milhão de litros de gasóleo por ano.